CN104950194A - 电力网络中的孤岛状况的检测 - Google Patents

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Abstract

提供了一种用于三相电力网络中的单相孤岛检测的方法。该方法包括：由电源组件(PSA)向三相电力网络(EN)提供电力，该电力网络(EN)具有网络电压；将激励信号提供到电力网络的正序电量中，该正序电量为电流、功率或其导出量；监视网络电压的负序分量的指示元素的幅值和/或变化率，该指示元素的频域包括与激励信号相对应的频率；以及在指示元素的幅值或变化率超过预定限值的情况下或者在指示元素的幅值和变化率二者超过各自的预定限值的情况下，检测电力网络(EN)中的单相孤岛状况。

Description

电力网络中的孤岛状况的检测
技术领域
本发明涉及三相电力网络中的单相孤岛状况的检测。
背景技术
连接至公共电力网络的分布式能源单元(如太阳能电池或风轮机)在该电力网络中提供孤岛，即，公共电力网络的一部分，其中孤岛设置有其自身的发电设备。单相孤岛状况为部分电网缺失(partial loss-of-mains)的情形，在该情形下，合并有发电设备的电力网络的单相失去与公共电力网络的其余部分的连接。检测单相孤岛状况很重要，因为其在与所述公共电力网络部分分离的电力网络内引起安全隐患。
存在用于三相电力网络中的单相孤岛检测的若干已知方法。用于单相孤岛检测的已知方法包括将低频激励参考信号添加到向电力网络供电的频率转换器的无功电流参考中，并将网络频率的变化率与变化率的正常值进行比较，其中单相孤岛状况增加了网络频率的变化率。
用于单相孤岛检测的已知方法增加了电力网络中的谐波失真以及/或者缓慢地检测单相孤岛状况。
发明内容
本发明的目的是提供一种用以减轻上述缺点的方法和用于实现该方法的系统。本发明的目的由在下文中所描述的方法和系统来实现。
本发明基于下述构思：将激励信号添加到电力网络的电量的正序分量中，该正序电量为电流、功率或其导出量；以及基于电力网络的电压的负序分量的指示元素(indicative element)的幅值和/或变化率来检测电力网络中的单相孤岛状况，指示元素的频域包括与激励信号相对应的频率。仅在电力网络的阻抗不对称的情况下，才能够在电力网络的电压的负序分量中检测到提供到电力网络的正序电量中的激励信号。因此，根据本发明的单相孤岛状况的检测原则上基于监视电力网络的阻抗的对称的改变。
本发明的方法和系统的优点在于可以快速地检测单相孤岛状况，而不增加电力网络中的谐波失真。换言之，本发明的方法和系统使得能够检测单相孤岛状况而对电力网络的电力质量没有不利影响。
附图说明
在下文中，将参照附图、借助于优选实施例来更加详细地描述本发明，在附图中：
图1示出了三相电力网络的单相孤岛状况；以及
图2示出了根据本发明的用于三相电力网络中的单相孤岛检测的方法。
具体实施方式
图1示出了具有单相孤岛状况的三相电力网络EN。存在通过电源组件PSA连接至电力网络EN的至少一个分布式能源单元(未示出)。电力网络EN具有网络电压并且包括连接至电力网络的相U1、U2和U3的负载ZL。
通常，电力网络EN是公共电力网络GRD的一部分，该公共电力网络GRD的线路阻抗用ZG来表示。在图1的单相孤岛状况下，电力网络EN的相U1已失去与公共电力网络GRD的其余部分中的对应相的连接。因此，从电源组件PSA的输出端子OT1看到的阻抗已改变。
图1的电力网络EN设置有中性导体NC。然而，本发明也可以用在不具有中性导体的电力网络中。
图2示出了用于检测图1的三相电力网络EN中的单相孤岛状况的示意图。由示意图所示的方法包括：由电源组件PSA向三相电力网络EN提供电力；将激励信号提供到电力网络的正序无功功率中；监视网络电压的负序分量的指示元素的幅值；以及在指示元素的幅值超过预定限值的情况下，检测电力网络EN中的单相孤岛状况。
指示元素的频域包括与激励信号相对应的频率。根据所使用的分析方法，与激励信号相对应的频率可以等于提供到电力网络的正序电量中的激励信号的原始频率或者与该原始频率不同，如在下面所说明的那样。
在图2的方法中所使用的激励信号包括矩形波。替选地，例如，可以使用不同的波形，诸如正弦波形、三角波形或锯齿波形。可以相当自由地选择激励信号的频率fstim。在具有50Hz或60Hz的基频的典型电力网络中，激励信号的频率可以是例如1Hz到30Hz。频率显著低于电力网络的频率的激励信号使得能够避免谐波失真。在技术上，很可能使用频率与电力网络的频率几乎一样高或者甚至比电力网络的频率高的激励信号。
在电气工程领域中，对称分量方法是公知的，在本文中未描述。正序分量有时被称为正分量(direct component)，而负序分量有时被称为逆分量。
在图2的实施例中，电源组件PSA包括频率转换器，并且通过将激励参考信号qstim,ref与频率转换器的正序无功功率相加q1p,ref来将激励信号提供到电力网络EN中。正序无功功率参考q1p,ref是适于指示频率转换器产生电力网络EN所需的无功功率的参考信号。可通过等式qref＝q1p,ref+qstim,ref获得的和信号qref被用作用于控制频率转换器的正序无功功率参考信号。利用参考信号控制频率转换器在本领域是公知的，因此，在本文中未对其进行讨论。
可以将激励信号提供到电力网络的正序电量中，正序电量为电流、功率或其导出量。因此，可以将激励信号提供到电力网络的正序有功功率中而不是正序无功功率中。还可以将激励信号提供到正序无功电流或正序有功电流中。本领域技术人员理解，影响正序电流不可避免地影响了正序功率，反之亦然。
在电力网络EN的正常工作状况下，基于由电源组件PSA提供到电力网络EN中的正序有功电流ipow,1p的幅值来控制激励信号的幅度。激励信号的幅度是正序有功电流ipow,1p的幅值的函数。激励信号的幅度可以在电源组件的额定电流的0.1％至10％的范围内。该幅度越大，就越快检测单相孤岛状况。另一方面，不期望使过多的无功电流存在于电力网络中。
在实施例中，将正序有功电流ipow,1p的绝对值乘以系数。在替选实施例中，激励信号的幅度另外具有不依赖于正序有功电流的幅度的恒定部分。该恒定部分使得：即使在电力网络不具有负载或者电力网络的负载较小的情况下也能够检测电力网络中的单相孤岛状况。在另一替选实施例中，激励信号的幅度是恒定的。
如果满足预定条件，则将电力网络EN转变成潜在的单相孤岛状况，在该潜在的单相孤岛状况下，激励信号的幅度被分配了与在正常工作状况下相比较高的值。在潜在的单相孤岛状况下，激励信号的幅度可以是正序有功电流的幅度的10％或者甚至更高。
在潜在的单相孤岛状况下，存在假定电力网络中可能存在单相孤岛状况的一些理由，而在正常工作状况下，不存在对孤岛状况的初步怀疑。潜在的单相孤岛状况的目的在于加速检测电力网络中的单相孤岛状况。
潜在的单相孤岛状况为暂时状况。如果在预定时间内在潜在的单相孤岛状况期间未检测到单相孤岛状况，则电力网络返回到正常工作状况。在实施例中，预定时间为约1秒。在替选实施例中，预定时间可以是例如0.3秒到3秒。
用于使电力网络转变成潜在的单相孤岛状况的预定条件包括表明电力网络中可能存在单相孤岛状况的一个或多个条件。在实施例中，预定条件包括检测到所述指示元素的幅值的增加。所述增加可以较小；在许多实施例中，能够由仪器检测到的任何增加足以指示潜在的单相孤岛状况。
与电力网络相关的电网准则和标准通常不容许任何类型的单相孤岛状况。因此，根据本发明的实施的一种方法包括作为检测到单相孤岛状况的响应而停止由电源组件向电力网络提供电力。替选地，可以作为检测到的单相孤岛状况的响应而改变电力网络的工作状态。在一些实施例中，向电力网络的操作人员提供警报，使得操作人员可以使电源组件停止向电力网络提供电力，或者改变电力网络的工作状态以将单相孤岛状况纳入考虑。
可以通过断开电源组件与电力网络之间的开关来停止由电源组件向电力网络提供电力。这样的开关未在附图中描绘。在替选实施例中，停止由电源组件向电力网络提供电力包括关闭电源组件。
在图2的实施例中，由向电力网络提供电力的频率转换器将激励信号提供到电力网络的正序无功功率中。在替选实施例中，电力网络包括适于向电力网络提供激励信号的单独装置。
用于单相孤岛检测的方法可以由向电力网络EN提供电力的电源组件PSA的控制单元CTRL来实现。电力网络可以包括一个或多个电源组件，该一个或多个电源组件中的每一个均适于向电力网络提供激励信号并且检测电力网络中的单相孤岛状况。不必使不同的电源组件的激励信号同步。在实施例中，每个电源组件与电源组件中的其余电源组件相比提供不同的激励信号。
替选地，用于单相孤岛检测的方法可以由中央控制单元来实现，该中央控制单元适于监视网络电压的负序分量的指示元素的幅值并且在指示元素的幅值超过预定限值的情况下检测电力网络中的单相孤岛状况。在包括中央控制单元的集中式系统中，各个电源组件的控制单元既不监视指示元素的幅值，也不检测电力网络中的单相孤岛状况。在中央控制单元检测到电力网络中的单相孤岛状况的情况下，中央控制单元可以命令各个电源组件停止向电力网络提供电力。
在图2所示的方法中，网络电压的基频的负序在笛卡尔坐标系中最初由x分量ug,x,1n和y分量ug,y,1n来表示。然后，在块b1中将网络电压的基频的负序转换成在与网络电压的空间矢量相比在相反方向上以电力网络的频率旋转的直接正交坐标系中。在块b2中，对由ug,d,1n和ug,q,1n表示的所得分量进行带通滤波，以便提取网络电压的负序分量的指示元素，该指示元素的频域包括与激励信号相对应的频率。例如，如果激励信号的频率为5Hz，则指示元素的频域可以包括从4Hz到6Hz的频率。在理想情况下，这足以监视与激励信号具有相同频率的指示元素。
指示元素的分量用ug,d,1n,qstim和ug,q,1n,qstim来表示。在块b3中计算指示分量的幅值|u g,1n,qstim|并且在块b4中监视该指示元素的幅值|u g,1n,qstim|。如果不存在孤岛状况并且在网络中没有变化，则指示元素的幅值|u g,1n,qstim|保持基本上恒定。如果指示元素的幅值超过预定限值，则检测到单相孤岛状况。在实施例中，预定限值为比较值的3％。在替选实施例中，预定限值可以是比较值的0.3％至5％。在实施例中，比较值为网络电压的实际值。在替选实施例中，比较值为网络电压的额定值。
在替选实施例中，在以激励信号的频率旋转的直接正交坐标系中表示指示元素。本领域技术人员理解，坐标系旋转的频率影响与激励信号相对应的信号在该坐标系中具有的频率。
上述带通滤波仅是适用于分离与激励信号相对应的频率的处理的示例。替选地，可以使用基于诸如傅立叶变换的适当变换的频域分析。
在实施例中，监视网络电压的负序分量的指示元素的变化率并且将其用于检测电力网络中的单相孤岛状况。可以仅基于指示元素的变化率来检测单相孤岛状况。在这样的实施例中，如果指示元素的变化率超过预定限值，则检测单相孤岛状况。在替选实施例中，如果指示元素的幅值和变化率二者都超过相应的预定限值，则检测单相孤岛状况。应当注意的是，根据单相孤岛状况是基于指示元素的变化率来检测还是基于指示元素的变化率和指示元素的幅值二者来检测，用于指示元素的变化率的预定限值可以具有不同的值。
对于本领域技术人员显而易见的是，本发明构思可以以各种方式来实现。本发明及其实施例不限于上述示例，而是可以在权利要求的范围内变化。

Claims (11)

1.一种用于三相电力网络中的单相孤岛检测的方法，所述方法包括：
由电源组件(PSA)向三相电力网络(EN)提供电力，所述电力网络(EN)具有网络电压；
将激励信号提供到所述电力网络的正序电量中，所述正序电量为电流、功率或其导出量；
监视所述网络电压的负序分量的指示元素的幅值和/或变化率，所述指示元素的频域包括与所述激励信号相对应的频率；以及
在所述指示元素的幅值或变化率超过预定限值的情况下或者在所述指示元素的幅值和变化率二者超过各自的预定限值的情况下，检测所述电力网络(EN)中的单相孤岛状况。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述激励信号被提供到所述电力网络的正序无功电量中。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述激励信号包括矩形波形、正弦波形、三角波形或锯齿波形。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述方法包括：基于由所述电源组件(PSA)提供到所述电力网络(EN)中的正序有功电量的幅值来控制所述激励信号在所述电力网络(EN)的正常工作状况下的幅度，所述正序有功电量为电流、功率或其导出量。
5.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述方法包括：在满足预定条件的情况下将所述电力网络从正常工作状况转变成潜在的单相孤岛状况，并且在所述电力网络处于所述潜在的单相孤岛状况下时向所述激励信号的幅度分配比在所述正常工作状况下更高的值。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，用于使所述电力网络转变成所述潜在的单相孤岛状况的所述预定条件包括检测到所述指示元素的幅值的增加。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述潜在单相孤岛状况为下述的暂时状况：如果在预定时间内在所述潜在的单相孤岛状况期间未检测到所述单相孤岛状况，则所述电力网络返回到所述正常工作状况。
8.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述方法包括：作为检测到所述单相孤岛状况的响应而停止由所述电源组件(PSA)向所述电力网络提供电力。
9.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在与所述网络电压的空间矢量相比在相反方向上以所述电力网络的频率旋转的直接正交坐标系中表示所述网络电压的所述负序分量，其中在所述直接正交坐标系下与所述激励信号相对应的频率等于提供到所述电力网络的所述正序电量中的所述激励信号的原始频率。
10.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述电源组件(PSA)包括频率转换器，并且所述激励信号是通过将激励参考信号(qstim,ref)与所述频率转换器的正序电量参考(q1p,ref)相加来提供到所述电力网络(EN)中。
11.一种用于检测三相电力网络中的单相孤岛状况的系统，所述系统包括：
用于将激励信号提供到三相电力网络(EN)的正序电量中的装置，所述正序电量为电流、功率或其导出量，所述电力网络具有网络电压；
用于监视所述网络电压的负序分量的指示元素的幅值和/或变化率的装置，所述指示元素的频域包括与所述激励信号相对应的频率；以及
用于在所述指示元素的幅值或变化率超过预定限值的情况下或者在所述指示元素的幅值和变化率二者超过预定限值的情况下检测所述电力网络(EN)中的单相孤岛状况的装置。
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